Vitenskapelig modellering

Modellering som erstatning for direkte måling og eksperimentering Rediger

Modeller brukes vanligvis når det enten er umulig eller upraktisk å lage eksperimentelle forhold der forskere direkte kan måle utfall . Direkte måling av utfall under kontrollerte forhold (se Vitenskapelig metode) vil alltid være mer pålitelig enn modellerte estimater av utfall.

Innen modellering og simulering er en modell en oppgavedrevet, målrettet forenkling og abstraksjon av en oppfatning. av virkeligheten, formet av fysiske, juridiske og kognitive begrensninger. Det er oppgavestyrt fordi en modell er fanget med et bestemt spørsmål eller en oppgave i tankene. Forenklinger lar alle kjente og observerte enheter og deres forhold være utenfor som ikke er viktige for oppgaven. Abstraksjon samler informasjon som er viktig, men som ikke er nødvendig i samme detalj som objektet av interesse. Begge aktiviteter, forenkling og abstraksjon gjøres målrettet. Imidlertid er de gjort basert på en oppfatning av virkeligheten. Denne oppfatningen er allerede en modell i seg selv, da den kommer med en fysisk begrensning. Det er også begrensninger for hva vi lovlig kan observere med våre nåværende verktøy og metoder, og kognitive begrensninger som begrenser det vi er i stand til å forklare med våre nåværende teorier. Denne modellen omfatter begrepene, deres atferd og deres uformelle form og blir ofte referert til som en konseptuell modell. For å utføre modellen, må den implementeres som en datasimulering. Dette krever flere valg, for eksempel numeriske tilnærminger eller bruk av heuristikk. Til tross for alle disse epistemologiske og beregningsmessige begrensningene, har simulering blitt anerkjent som den tredje søylen i vitenskapelige metoder: teoribygging, simulering og eksperimentering.

SimulationEdit

En simulering er en måte å implementere modellen, ofte brukt når modellen er for kompleks for den analytiske løsningen. En steady-state-simulering gir informasjon om systemet på et bestemt tidspunkt (vanligvis i likevekt, hvis en slik tilstand eksisterer). En dynamisk simulering gir informasjon over tid. En simulering viser hvordan et bestemt objekt eller fenomen vil oppføre seg. En slik simulering kan være nyttig for testing, analyse eller trening i de tilfeller der virkelige systemer eller konsepter kan representeres av modeller.

StructureEdit

Struktur er en grunnleggende og noen ganger immateriell forestilling som dekker anerkjennelse, observasjon, natur og stabilitet av mønstre og relasjoner mellom enheter. Fra et barns verbale beskrivelse av et snøfnugg, til den detaljerte vitenskapelige analysen av egenskapene til magnetfelt, er begrepet struktur et viktig fundament for nesten alle måter å undersøke og oppdage innen vitenskap, filosofi og kunst.

SystemsEdit

Et system er et sett av interagerende eller gjensidig avhengige enheter, ekte eller abstrakt, og danner en integrert helhet. Generelt er et system en konstruksjon eller samling av forskjellige elementer som sammen kan gi resultater ikke oppnåelig av elementene alene. Konseptet med en «integrert helhet» kan også angis i form av et system som inneholder et sett med relasjoner som er differensiert fra forholdet til settet til andre elementer, og danner relasjoner mellom et element i settet og elementer som ikke er en del av relasjonsregimet. Det er to typer systemmodeller: 1) diskrete der variablene endres øyeblikkelig på separate tidspunkter og, 2) kontinuerlige der tilstandsvariablene endres c kontinuerlig med hensyn til tid.

Generering av en modellEdit

Modellering er prosessen med å generere en modell som en konseptuell representasjon av noe fenomen. Vanligvis vil en modell håndtere bare noen aspekter av det aktuelle fenomenet, og to modeller av det samme fenomenet kan være vesentlig forskjellige – det vil si at forskjellene mellom dem består av mer enn bare et enkelt navn på komponenter.

Slike forskjeller kan være på grunn av forskjellige krav til modellens sluttbrukere, eller konseptuelle eller estetiske forskjeller mellom modellere og betingede beslutninger som er tatt under modelleringsprosessen. Hensyn som kan påvirke strukturen til en modell kan være modellerenes preferanse for redusert ontologi, preferanser angående statistiske modeller versus deterministiske modeller, diskret kontra kontinuerlig tid osv. I alle fall trenger brukere av en modell å forstå forutsetningene som er relevante for dens gyldighet for en gitt bruk.

Å bygge en modell krever abstraksjon. Forutsetninger brukes i modellering for å spesifisere domenet for anvendelsen av modellen. For eksempel antar den spesielle relativitetsteorien en treghetsreferanseramme. Denne antagelsen ble kontekstualisert og forklart ytterligere av den generelle relativitetsteorien.En modell gir nøyaktige spådommer når forutsetningene er gyldige, og kan godt ikke komme med nøyaktige spådommer når forutsetningene ikke holder. Slike antagelser er ofte poenget som eldre teorier blir etterfulgt av nye (den generelle relativitetsteorien fungerer også i ikke-treghetsreferanserammer).

Evaluering av en modellEdit

En modell vurderes først og fremst av dens konsistens til empiriske data; enhver modell som ikke er i samsvar med reproduserbare observasjoner, må endres eller avvises. En måte å endre modellen på er å begrense domenet som den krediteres med høy gyldighet. Et eksempel er Newtons fysikk, som er svært nyttig bortsett fra de veldig små, de veldig raske og de enorme fenomenene i universet. En tilpasning til empiriske data alene er imidlertid ikke tilstrekkelig for at en modell kan aksepteres som gyldig. Andre faktorer som er viktige for å evaluere en modell inkluderer:

• Evne til å forklare tidligere observasjoner
• Evne til å forutsi fremtidige observasjoner
• Kostnader for bruk, spesielt i kombinasjon med andre modeller
• Gjendring, muliggjør estimering av graden av tillit til modellen
• Enkelhet, eller til og med estetisk appell

Folk kan prøve å kvantifisere evalueringen av en modell ved hjelp av en verktøyfunksjon.

VisualizationEdit

Visualisering er hvilken som helst teknikk for å lage bilder, diagrammer eller animasjoner for å kommunisere en melding. Visualisering gjennom visuelle bilder har vært en effektiv måte å kommunisere både abstrakte og konkrete ideer siden menneskets morgen. Eksempler fra historien inkluderer hulemalerier, egyptiske hieroglyffer, gresk geometri og Leonardo da Vincis revolusjonerende metoder for teknisk tegning for tekniske og vitenskapelige formål.

Space mappingEdit

Space mapping refererer til en metodikk som benytter en «kvasi-global» modelleringsformulering for å koble ledsager «grov» (ideal eller low-fidelity) med «fine» (praktiske eller high-fidelity) modeller av forskjellige kompleksiteter. I teknikkoptimalisering justeres romkartlegging (kart ) en veldig rask grov modell med tilhørende dyrt å beregne finmodell for å unngå direkte kostbar optimalisering av finmodellen. Justeringsprosessen foredler iterativt en «kartlagt» grov modell (surrogatmodell).